Une étude publiée dans Science montre comment de minuscules structures magnétiques peuvent générer seules des états quantiques exotiques
Des physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec des partenaires européens, ont découvert une nouvelle manière surprenante de contrôler le magnétisme à l’échelle nanométrique. Dans une étude publiée dans la revue Science, l’équipe montre que de microscopiques « tourbillons magnétiques » peuvent créer de nouveaux états dynamiques en s’appuyant uniquement sur leurs propres mouvements internes, qui sont déclenchés par une commande externe.
Cette découverte apporte un éclairage nouveau sur le comportement de la matière hors équilibre et pourrait contribuer au développement de futures technologies fondées sur les ondes de spin, une alternative prometteuse à l’électronique classique.
Quand le magnétisme impose son propre tempo
Dans de nombreux matériaux magnétiques, les spins — les minuscules moments magnétiques des électrons — peuvent s’organiser selon une structure en vortex, comparable à un tourbillon. Au centre de ce vortex se trouve un cœur magnétique capable de se déplacer sur une trajectoire circulaire, à la manière d’une toupie.
Les chercheurs ont montré que lorsque ce cœur se met à osciller de manière périodique, il agit comme un métronome interne, modifiant la façon dont l’énergie circule dans le matériau. Ce mécanisme donne naissance à de nouveaux motifs énergétiques répétitifs appelés états de Floquet, qui nécessitent habituellement une excitation intense externe et soigneusement contrôlée, comme une impulsion laser.
« Ce qui est remarquable, c’est que le système n’a besoin qu’une faible commande externe », explique Joo-Von Kim, directeur de recherche au CNRS et membre de l’équipe Novel Magnetic Devices (NOMADE) au C2N. « La structure magnétique génère son propre rythme et se réorganise en conséquence. »
Des ondes de spin à de nouveaux schémas énergétiques
Les matériaux magnétiques peuvent également transporter de l’énergie sous forme d’ondes rapides appelées magnons, issues du mouvement collectif des spins. Dans leurs expériences, les scientifiques ont observé que le mouvement du cœur du vortex réorganise ces ondes de spin en niveaux d’énergie régulièrement espacés, créant un « peigne de fréquences » caractéristique — une signature des états de Floquet.
Fait encore plus surprenant, le phénomène peut aussi se produire en sens inverse : en excitant fortement les magnons, le cœur du vortex peut se mettre en mouvement de lui-même. Une fois ce mouvement enclenché, il rétroagit sur le système et transforme spontanément le spectre des ondes de spin. Ce mécanisme d’auto-organisation est qualifié par les chercheurs d’ingénierie de Floquet auto-induite.
Pourquoi cette découverte est importante
Les états de Floquet suscitent un vif intérêt car ils permettent de créer des propriétés qui n’existent pas dans les matériaux à l’équilibre. Jusqu’à présent, leur réalisation dans les systèmes magnétiques était difficile, nécessitant souvent des impulsions laser intenses, avec des risques d’échauffement et d’instabilité.
La nouvelle approche repose au contraire sur des modes internes déjà présents dans le matériau, ce qui la rend plus stable et plus économe en énergie.
« Les systèmes magnétiques constituent un terrain d’exploration idéal pour étudier des comportements complexes dépendant du temps », souligne Thibaut Devolder, directeur de recherche au CNRS et responsable de l’équipe NOMADE au C2N. « Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour contrôler le magnétisme de manière inédite. »
Perspectives
Les chercheurs estiment que des effets auto-induits similaires pourraient apparaître dans d’autres structures magnétiques, telles que les parois de domaines ou les skyrmions, et peut-être même dans des systèmes supraconducteurs ou ferroélectriques. À plus long terme, ces travaux pourraient contribuer au développement de technologies à faible consommation énergétique, dans lesquelles l’information serait traitée à l’aide d’ondes de spin plutôt que de courants électriques.
À propos de l’étude
Ces travaux de recherche ont été menés par des scientifiques du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS/Université Paris-Saclay) en collaboration avec des partenaires au Centre de Recherche Helmholtz Dresden-Rossendorf (Allemagne) et à l’université Radboud (Pays-Bas). Ils ont bénéficié du soutien de la Commission Européenne dans le cadre du projet « NIMFEIA » (numéro de contrat 101070290), la Fondation allemande pour la recherche (DFG), et le Conseil néerlandais pour la recherche (NWO).
Réfèrences
Self-induced Floquet magnons in magnetic vortices
Science, 8 Jan 2026, Vol 391, Issue 6781 pp. 190-194
DOI: 10.1126/science.adq9891
Christopher Heins1,2, Lukas Körber1,2,3, Joo-Von Kim4, Thibaut Devolder4, Johan H. Mentink3, Attila Kákay1, Jürgen Fassbender1,2, Katrin Schultheiss1, and Helmut Schultheiss1
Affiliations
1Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf, Dresden, Germany.
2Fakultät Physik, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany.
3Institute for Molecules and Materials, Radboud University, Nijmegen, Netherlands.
4Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France.
